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碳量子点对基于能量转移电化学发光DNA 传感体系影响的研究
2012年第70卷第11期, 化 学 学 报ACTA CHIMICA SINICAVol. 70, 2012 No. 11, ?研究论文?碳量子点对基于能量转移电化学发光DNA传感体系影响的研究杨
郭志慧*(陕西省生命分析化学重点实验室 陕西师范大学化学化工学院
西安 710062)摘要
实验发现在鲁米诺-结晶紫能量转移电化学发光体系中再加入碳量子点后, 体系的灵敏度和重现性均提高. 本实验中, 探究出用能量转移电化学发光分析法区分单双链DNA的优化条件. 在优化条件下, 测定目标DNA的线性范围为1.0×10－11～1.0×10－7 mol/L, 相关系数为0.9881, 检出限为4.0×10－12 mol/L, 并且讨论了DNA与碳量子点可能的作用方式. 本法操作方便, 灵敏度高.关键词
电化学发光; 碳量子点; DNA检测; 鲁米诺; 结晶紫Study on the Influence of Carbon Quantum Dots on ElectrogeneratedChemiluminescence Energy Transfer Sensing System of DNAYang, Fan
Wang, Lingli
Guo, Zhihui*(Key Laboratory of Analytical Chemistry for Life Science of Shaanxi Province, School of Chemistry and Chemical Engineer-ing, Shaanxi Normal University, Xi'an 710062)Abstract
The effect of carbon quantum dots on the electrogenerated chemiluminescence (ECL) energytransfer sensing system for the determination of DNA was investigated. The results showed that the sig-nal-to-noise ratio of luminol-crystal violet ECL system was increased and its reproducibility was improved by the addition of carbon quantum dots. The conditions of the detection of DNA were optimized. Under op-－－timal conditions, the linear range for the determination of target DNA was 1.0××107 mol/L,－the correlation coefficient was 0.9881 and the detection limit was 4.0×1012 mol/L. The possible interaction mechanism between DNA and carbon quantum dots was also discussed. This method was convenient and showed high sensitivity.Keywords
electrogenerat DNA crystal violet美国克莱蒙森大学的科学家首次制造出了一种新型的碳纳米材料――碳量子点. 与各种金属量子点类似, 碳量子点在光照的情况下可以发出明亮的光. 这种新型的荧光碳纳米粒子[1～9]的平均粒径小于10 nm, 发光性质十分稳定, 而且具有很长的荧光寿命[10], 最重要的是, 它较以往的荧光材料更具生物安全性, 由于碳量子点具有优良的发光性能和低毒性[1,2], 碳量子点在生
* E-mail: zhguo@snnu.edu.cnReceived January 12, 2012; accepted February 27, 2012.物成像[11～15]等领域具有很好的应用前景. 实验证明, 它可以通过细胞的内吞作用进入癌细胞的细胞膜和细胞质而不影响细胞核[16], 还可以与DNA这种生物大分子相互作用, 从而来进行DNA的识别与检测[17], 所以碳量子点作为生物标记材料有望解决以往荧光材料在生命研究中的安全问题.DNA作为一种生物大分子, 可以与许多小分子发Project supported by the National Natural Science Foundation of China (No. ). 国家自然科学基金(No. )资助项目.
1284化 学 学 报 Vol. 70, 2012生相互作用. 比如结晶紫染料, 它与单双链DNA的结合方式不同, 它与单链DNA是以静电吸附方式结合, 与双链DNA是以嵌插方式结合, 因而各自发出不同强度的荧光[18,19]. 结晶紫可以嵌插入双链DNA分子双螺旋的碱基对之间, 结合的作用力一般是平面芳环的离域π体系间形成的π-π相互作用和疏水相互作用. 这种作用力可以使结晶紫分子的光学性质有所改变, 因此设想嵌插入双链DNA双螺旋结构中的结晶紫分子到达激发态需要的能量有所改变, 即激发光的波长改变, 在此波长激发光的作用下可以使得双螺旋结构中的结晶紫分子激发, 而与单链DNA静电吸附结合的结晶紫分子及物理吸附在电极表面的结晶紫分子不能被激发. 由此可以使结晶紫分子这种杂交指示剂的基态和激发态具有明显不同的电化学行为. 有望用电化学发光法实现灵敏度高、选择性好的DNA分析与检测.鲁米诺电化学性质活泼, 但不容易与DNA相互作用. 在外加电位的作用下鲁米诺得到电子后处于激发态, 可以将能量转移给本身电化学性质不活泼的结晶紫与DNA的结合物. 碳量子点作为安全的生物标记物, 它的加入可能会对单双链DNA与结晶紫分子结合后的电化学发光产生影响. 本实验试图通过控制碳量子点的粒径大小、浓度和检测的电位等, 找出最佳条件用电化学发光分析法来区分单双链DNA, 所以1
实验部分1.1
仪器REC-100型电化学分析工作站(西安瑞迈分析仪器有限公司); RFL-1型超微弱化学发光/生物发光检测仪(西安瑞迈分析仪器有限公司); TG16-W微量高速离心机(湘仪); 恒温磁力搅拌器85-1(国华); 微波炉EG720FA4-NR(美的); 三电极体系: 石墨电极为工作电极, 铂丝为对电极, Ag/AgCl电极作参比电极; 电解池(25×40 mm称量瓶).
试剂结晶紫(CV), 鲁米诺, 葡萄糖, 聚乙二醇-200 (PEG-200), 氯化钠(NaCl), 三羟甲基氨基甲烷(Tris), EDTA二钠盐; pH＝8.0的Tris-HCl缓冲溶液; Tris-EDTA (TE)缓冲溶液; probe DNA (LDNA): 5'-GTT CAT GCC GCC CAT-3', target DNA (CDNA): 5'-ATG GGC GGC ATG AAC-3'(上海生工生物工程有限公司). 以上所用化学试剂均为分析纯; 试验用水均为二次蒸馏水.
DNA溶液的配制将购得的DNA在10000 r/min的转速下离心3 min, 收集DNA制品于管底, 然后慢慢打开管盖, 加适量的TE缓冲液, 盖上管盖, 充分上下振荡或用手指弹管底, 使DNA充分溶解. 然后将DNA溶液在94 ℃下温浴2～5 min, 然后快速冷却到室温(25 ℃以下), 4 ℃下保存备用.1.4
碳量子点的制备制备碳量子点的方法很多, 鉴于大多数合成方法太过于复杂、昂贵、花费时间较长, 电化学方法分别采用循环伏安法和阶跃脉冲法, 为了获得较好的灵敏度, 光电倍增管负高压采用900 V. 在电解池中加入4.4 mL pH＝8.0的Tris-HCl缓冲液, 加入0.5 mL 0.5 mol/L的NaCl溶液, 加入20 μL 1.0×10－4 mol/L的探针DNA储备液, 加入0.5 mL 1.0×10－4 mol/L的结晶紫溶液, 加入0.1 mL 5.0×10－4 mol/L的鲁米诺溶液后, 将电极插入到电解液中, 进行电化学发光的检测, 此时得到的电化学发光信号为ssDNA溶液的信号; 再将20 μL目标DNA储备液也加入到原电解液中, 在室温下杂交30 min后, 再次将电极插入到电解液中, 进行电化学发光的检测, 此时得到dsDNA溶液的电化学发光信号.按以上的检测步骤, 再在上述体系中加入适当粒径、适当浓度的碳量子点溶液, 分别测定ssDNA, 以及dsDNA所在的电解质溶液的电化学发光信号.2
结果与讨论2.1
溶液pH的影响DNA是生物大分子, 它在中性及弱酸弱碱性条件下比较稳定, 酸度过强或过弱都会破坏它的结构, 使之失活. 而鲁米诺在碱性条件下的电化学发光信号较强, 在中性和酸性条件下发光很弱. 因此, pH值对电化学发光型DNA生物传感器的影响较大, 选择合适的pH条件是重要的. 除此之外, 溶液pH对结晶紫与DNA的结合物的发光也有影响, 在pH＝5.0～10.0范围内, 结晶紫的发光强度随溶液pH值变化很小, pH超过10.0之后, pH对发光强度影响较大. 综上所述, 我们选择pH＝8.0No. 11
帆等：碳量子点对基于能量转移电化学发光DNA传感体系影响的研究1285的弱碱性的溶液来作为电化学发光测定DNA的最佳介质, 这样既保证了DNA的杂交效率, 又可保证鲁米诺电化学发光体系的灵敏度和稳定性.
离子强度的影响根据文献[21]报道, 一价阳离子钠离子的存在可以提高异源单链DNA杂交形成双链的生成速率, 杂交液中NaCl的存在对电化学发光信号也有很大的影响. 合适量的NaCl有利于提高发光信号的信噪比, 使发光体系的稳定性增强. 但离子强度的增大会使DNA双螺旋结构的刚性增强而减弱与结晶紫分子的作用. 实验结果显示, 向体系中加入0.5 mL 0.5 mol/L NaCl溶液时电化学发光信噪比最大.
电解方式的影响电化学发光的分析特性与激发信号的施加方式关系极为密切, 主要原因是电化学发光物质的产生速度在扩散层中的动态分布以及电化学反应与电化学发光反应相匹配的程度受电化学激发方式的调控.实验中考察了电解方式对电化学发光的影响. 如图1, 2所示, 阶跃法测得的发光强度的重现性比循环伏安法好, 而且采用阶跃脉冲法还能更好地区分单双链DNA. 利用阶跃脉冲法激励的电化学发光比循环伏安法激励的电化学发光的灵敏度高, 所以实验中采用阶跃脉冲法激励进行电化学发光检测
阶跃脉冲法激励的电化学发光检测 Figure 1
The ECL motivated by step pulse methodECL sensing system of DNA: Luminol (9.0×10－6 mol/L)＋Crystal violet(9.0×10－6 mol/L)＋DNA (3.6×10－7mol/L), the volume of CDots solution (appropriate size and dilution ratio) added to the system was 0.2 mL. The scanning potential: 0～0.6 V; the scanning rate: 100 mV/s2.4
电位的影响在电化学发光体系中, 所加的电位越大, 体系的发光强度越大, 本实验中设定了0～0.4 V, 0～0.5 V, 0～0.6 V和0.2～0.5 V, 0.2～0.6 V等电位范围的电化学参
循环伏安法激励的电化学发光检测Figure 2
The ECL motivated by cyclic voltammetry methodECL sensing system of DNA: Luminol (9.0×10－6 mol/L)＋Crystal violet(9.0×10－6 mol/L)＋DNA (3.6×10－7 mol/L), the volume of CDots solution(appropriate size and dilution ratio) added to the system was 0.2 mL. The scanning potential: 0～0.6 V; the scanning rate: 100 mV/s数, 分别测定了单双链DNA电化学发光体系的发光强度. 由图3可知, 其中电位范围在0～0.6 V和0.2～0.6 V时, 单双链DNA发光体系的发光强度的差别较大, 但电位范围在0～0.6 V时, 单双链DNA发光体系的发光强度的差别最大. 所以选择电位范围为0～0.6 V进行电化学发光分析
电位范围对单双链DNA电化学发光体系的影响 Figure 3
The influence of potential range on ssDNA and dsDNA ECL systemECL sensing system of DNA: Luminol (9.0×10－6 mol/L)＋Crystal violet(9.0×10－6 mol/L)＋DNA (3.6×10－7 mol/L), the volume of CDots solution(appropriate size and dilution ratio) added to the system was 0.2 mL. The scanning rate: 100 mV/s2.5
碳量子点粒径大小的影响在
1286化 学 学 报 Vol. 70, 2012有变化, 所以60 s的时间内不能合成碳量子点. 在DNA电化学发光传感体系中分别加入其余三种粒径不同的碳量子点, 考察碳量子点粒径对电化学发光体系的影响, 结果显示当加入合成时间为120 s的碳量子点溶液时, 电化学发光强度很低. 可能是由于碳量子点的粒径太大, 对体系的电化学发光有很强的猝灭作用. 图4为合成时间为70 s的碳量子点的透射电镜图, 由图可知, 大部分碳量子点的粒径为4～6 nm. 图5, 6为在DNA电化学发光传感体系中分别加入了合成时间为70 s和90 s的碳量子点溶液时的电化学发光行为. 由图可见, 在DNA电化学发光传感体系中分别加入了合成时间为70 s和90 s的碳量子点溶液时, 与未加碳量子点溶液的电化学发光传感体系相比, 体系的电化学发光强度没有降低反而略有增强, 说明这两种粒径的碳量子点对DNA电化学发光传感体系没有猝灭作用, 并且使得体系的电化学发光的稳定性增强. 其中合成时间为70 s的碳量子点使得单双链DNA电化学发光体系发光强度的差值更大. 而且体系的电化学发光强度和重现性也增强, 所以选择合成时间为70 s的碳量子点溶液
碳量子点的TEM图Figure 4
TEM image of carbon quantum dots
合成时间为70 s的碳量子点对电化学发光体系的影响 Figure 5
The influence of carbon quantum dots of 70 s synthe-sis time on the ECL systemECL sensing system of DNA: Luminol (9.0×10－6 mol/L)＋Crystal violet(9.0×10－6 mol/L)＋DNA (3.6×10－7 mol/L), the volume of CDots solution(70 s synthesis time and appropriate dilution ratio) added to the system was 0.2
合成时间为90 s的碳量子点对电化学发光体系的影响 Figure 6
The influence of carbon quantum dots of 90 s synthe-sis time on the ECL systemECL sensing system of DNA: Luminol (9.0×10－6 mol/L)＋Crystal violet(9.0×10－6 mol/L)＋DNA (3.6×10－7 mol/L), the volume of CDots solution(90 s synthesis time and appropriate dilution ratio) added to the system was 0.2 mL2.6
碳量子点浓度的选择由图7可知, 当加入稀释倍数为5倍的碳量子点时, 测得的单双链DNA体系电化学发光强度差值最大, 可以明显区分单双链DNA. 同时可以看出高浓度的碳量子点对单双链DNA体系的电化学发光都有猝灭作用, 稀释5倍的碳量子点只对单链DNA体系的电化学发光有猝灭作用, 却会显著增强双链DNA体系的电化学发光强度, 因此, 碳量子点最佳的稀释倍数为5倍
碳量子点浓度对单双链DNA电化学发光体系的影响 Figure 7
The influence of carbon quantum dots concentration on ssDNA and dsDNA ECL systemECL sensing system of DNA: Luminol (9.0×10－6 mol/L)＋Crystal violet(9.0×10－6 mol/L)＋DNA (3.6×10－7 mol/L), the volume of CDots solution(70 s synthesis time and various dilution ratio) added to the system was 0.2 mL 2.7
线性范围及检出限在最佳实验条件下制作DNA的校准曲线, 如图8所示, 计算可得其回归方程为y＝50.9x＋805.9, 相关系数R为0.9881. 其中x为目标DNA浓度(mol/L)的对数;
帆等：碳量子点对基于能量转移电化学发光DNA传感体系影响的研究1287y为电化学发光强度. 目标DNA浓度的对数在－11～ －7范围内与电化学发光强度呈线性关系, 并由此方程确定传感系统的检出限为4.0×10－12 mol/L.
目标DNA的校准曲线Figure 8
Calibration curve of target DNAECL sensing system of the probe DNA: Luminol (9.0×10－6 mol/L)＋Crystalviolet (9.0×10－6 mol/L)＋DNA (1.09×10－6mol/L), the volume of CDots solution (70 s synthesis time and dilution five times) added to the system was 0.2 mL. The concentration of target DNA was 1.0×10－11mol/L, 1.0×10－10
mol/L, 1.0×10－9 mol/L, 1.0×10－8 mol/L, 1.0×10－7 mol/L, respectively2.8
碳量子点对电化学发光体系的影响机理初探与不加碳量子点的DNA电化学发光体系相比, 加入碳量子点之后, DNA体系电化学发光强度的稳定性增强, 背景干扰减小, 而且可以更好地区分单双链DNA.可见碳量子点的加入对增强体系的电化学发光稳定性有一定的作用.
据文献报道, 单链DNA可以吸附到碳量子点表面, 而双链DNA却不能[22,23]. 此外, 大多数有机染料, 如结晶紫等, 也可以吸附在碳量子点表面, 一方面, 染料自身的荧光强度下降[23,24], 另一方面, 量子点的荧光强度也减弱[17]. 然而, 由于结晶紫等染料可以插入dsDNA的沟槽中间, 与ssDNA与染料的结合程度相比, 染料与dsDNA能更好的结合, 而且可以显示出较强的荧 光[18,19]. 再者, 染料与dsDNA之间的嵌插作用力远远大于染料与碳量子点之间的吸附作用力[25,26]. 这样, 处于激发态的电化学发光体鲁米诺就可以将自身的能量选择性地转移给与dsDNA结合的结晶紫染料, 使其达到激发态, 回到基态时就以光子的形式将能量释放出来.如图9所示, 为碳量子点对鲁米诺-结晶紫-DNA这个ECL能量转移体系影响的示意性说明. 因此, 由于碳量子点的加入, 就可以使得鲁米诺-结晶紫-DNA这个ECL能量转移体系的信噪比以及重现性得到提高, 所以在DNA电化学发光传感体系中加入碳量子点能更好地区分单双链DNA.
碳量子点对鲁米诺-结晶紫-DNA电化学发光能量转移传感体系影响的原理图Figure 9
Schematic diagram of the influence of carbon quan-tum dots (CDots) on the luminol-crystal violet-DNA-ECL energy transfer sensing system3
结论References1 Huang, W.; Fernando, S.; Allard, L. F.; Sun, Y.-P. NanoLett. ), 565.2 Hasheminezhad, M.; Fleischner, H.; McKay, B. D. Chem.Phys. Lett. -3), 118.3 Ramachandran, C. N.; Sathyamurthy, N. J. Phys. Chem. A), 6901.
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1288化 学 学 报 Vol. 70, 2012Gomez de Salazar, J. M. Compos. Sci. Technol. ), 1384.14Pico, F.; Iba?ez, J.; Lillo-Rodenas, M. A.; Linares-Solano, A.; Rojas, R. M.; Amarilla, J. M.; Rojo, J. M. J. Power Sources ), 417.15Xu, X.-Y.; Ray, R.; Gu, Y. L.; Ploehn, H. J.; Geatheart, L.; Raker, K.; Scrivens, W. A. J. Am. Chem. Soc. ), 12736.16Cao, L.; Wang, X.; Meziani, M. J.; Lu, F. S.; Wang, H. F.; Luo, P. G.; Lin, Y.; Harruff, B. A.; VecaL, M.; Murray, D.; Xie, S.-Y.; Sun, Y.-P. J. Am. Chem. Soc. , 11318.
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(龚会平, 刘绍璞, 殷鹏飞, 闫曙光, 范小青, 何佑秋, 化学学报, 43.)(A1201124
Cheng, B.; Lu, Z.)
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在当今纳米研究领域，量子点绝对算得上是明星材料之一。虽然从Brus发表第一篇有关于量子点的文章至今已有了约30年的历史，但是今天量子点依旧是研究的热点之一。Chem8里面估计有很多人做量子点相关研究的，我自己是从事基于量子点的光学探针的设计方面的工作，下面就我个人对文献的掌握和理解，对量子点的研究历史作一个简单的总结，不一定准确和全备，就当抛砖引玉吧，希望有Chem8ers后续补充。
1)& & & & 1983年，Bell实验室的Brus首次报道了CdS纳米晶具有尺寸效应等相关的性质，拉开了量子点研究的序幕。虽然后续很多关于量子点的合成、性质、应用等等的研究工作都不是Brus发表的，但不能因此否认Burs对量子点研究领域的贡献。当今量子点研究领域执牛耳者Alivisatos（UC Berkely教授）和Bawendi （MIT教授）都是Brus的课题组出来的。对于Brus的评价详见王鸿飞老师的博文：发表在JCP上的Quantum Dot论文会得Nobel奖吗？（）。我想，能够跟Nobel扯上关系，就不用我再废话了！
2)& & & & 在80年代，除了Brus之外，德国的Henglein教授（这是个只要看到名字就知道有多牛的人之一）以及其课题组的Host Weller也一直从事CdS纳米晶的相关研究工作，Weller于93年在Angew上综述了量子点的阶段性研究成果（Weller, H. Colloidal Semiconductor Q-Particles: Chemistry in the Transition Region Between Solid State and Molecules. Angew. Chem. Int. Ed., -53.）。这一阶段的量子点纳米晶都是通过共沉淀法制备得来的，也就是Cd2+和S2-混合（或Zn2+与S2-混合）。这种纳米晶由于尺寸分布不均匀，且表面缺陷较多，难以得到实际的应用。
3)& & & & 1993年，MIT的Bawendi教授（Brus的学生）和其学生Murray、Norris在JACS上发表了制备高质量CdE（E=Se、Te、S）的合成方法（Murray, C. B.; Norris, D. J.; Bawendi, M. G. Synthesis and characterization of nearly monodisperse CdE (E = sulfur, selenium, tellurium) semiconductor nanocrystallites. J. Am. Chem. Soc., , .）。这种方法简单的说就是以TOPO和TOP为溶剂、以Cd(Et)2和S（Se、Te）反应前驱体，在高温情况下，向含有Cd(Et)2的TOPO溶液中注入S（或Se、Te）的TOP溶液，使其在高温下成核生长。对于这篇文献，其引用次数我就不在这里叙述了，做量子点的人应该都知道这篇文章的重要性。正是由于这篇文章中发展的合成方法学，才使得后续一系列的应用成为可能。ACS新杂志JPC Letter的Editor之一Gregory D. Scholes曾经在一篇Editorial里面告诉读者，合成纳米材料的相关文章要做到那种程度才算完善，请参考Bawendi的这篇JACS文章（详见Scholes, G. D. A New Decade for Semiconductor Nanocrystal Research in Physical Chemistry. J. Phys. Chem. Lett., 04-1505.）。实际上，Bawendi也正是通过这篇文章奠定了其在量子点领域的江湖地位，而Murray和Norris也各自都成为了纳米领域的大家。
4)& & & & 1994年，Alivisatos（Brus的学生，UC Berkely教授，Nano Letter的主编之一，江湖人称老艾）在Nature上发表了利用CdSe量子点构建发光二极管（LED）的文章（Colvin, V. L.; Schlamp, M. C.; Alivisatos, A. P. Light-emitting diodes made from cadmium selenide nanocrystals and a semiconducting polymer. Nature, , 354-357.），开启了量子点在光电转换领域应用的密码。迄今为止，虽然O-LED仍然是主流，但Q-LED的应用也逐步广泛起来，这里面少不了老艾和后来的Bulovic等人的推动。
5)& & & & 1996年，Alivisatos在Science和JPC上分别发表综述文章，详细的介绍了量子点的各种性质。想要了解量子点的物理和光学性质的人，读一下这两篇综述很受用。（Alivisatos, A. P. Semiconductor clusters, nanocrystals, and quantum dots. Science, , 933-937; Alivisatos, A. P. Perspectives on the physical chemistry of semiconductor nanocrystals. J. Phys. Chem., , .）
6)& & & & 1998年，Alivisatos（还是老艾）和聂书明各自同时在Science上撰文，将水溶性的量子点应用于生物医学领域，证实量子点在这一领域大有可为。虽然Bawendi在93年文章里面解决了高质量量子点的合成问题，但这种量子点只溶于有机溶剂（如氯仿和环己烷），不溶于水。老艾在量子点表面包覆了一层硅，再利用相关硅烷的反应，在量子点表面修饰了亲水的氨基；而聂书明则利用配体交换策略，在量子点表面修饰了亲水的巯基羧酸。我不知道他们两位是不是差不多时间投稿的，但Science杂志把这两篇文章放在同一期中一前一后发表，这就是量子点研究领域著名的&&事件。迄今为止，这两篇文章的引用次数也差不多，接近4000次。（Bruchez, M.; Moronne, M.; Gin, P.; Weiss, S.; Alivisatos, A. P. Semiconductor nanocrystals as fluorescent biological labels. Science, , ; Chan, W. C. W.; Nie, S. M. Quantum dot bioconjugates for ultrasensitive nonisotopic detection. Science, , .）
7)& & & & 来到21世纪，彭笑刚（老艾的得意门生之一）离开了老艾的课题组，来到阿肯色这个小地方施展拳脚。2001年，他在JACS上发表文章，解决了高质量量子点的简单、大规模合成。如前所述，Bawendi在93年发展的合成方法要用到Cd(Et)2，这是一个毒性极大、极不稳定的试剂，合成过程必须在手套箱里面进行（据此，我估计90年代能够很方便的使用Bawendi的方法的人并不多）。而彭君则从这里面最基本的化学知识出发，提出利用稳定的、便宜的CdO代替Cd(Et)2，一举使得量子点的简便合成走进大多数的科研实验室（Peng, Z. A.; Peng, X. G. Formation of high-quality CdTe, CdSe, and CdS nanocrystals using CdO as precursor. J. Am. Chem. Soc., , 183-184.）。随后彭笑刚在JACS上发表了一系列的文章，详细的研究了量子点合成过程中的影响因素，不断改进合成方法。我有幸听过彭老师的报告，我不敢妄言以后是否还能听到如此精彩的报告，但我可以肯定的是他的报告是我目前为止听到的最精彩的，没有之一。用彭老师自己的话说，他就做最基础的，做别人不愿意做的，比如：如何可重复的、高效的合成高质量量子点？如何降低量子点合成时的温度？量子点从油溶性转为水溶性之后为什么不稳定？怎么样使得量子点水溶之后更稳定？等等。最重要的是，彭老师在这些文章里面并没有用到什么很高深的理论，都是一些非常基础的化学知识，用的仪器手段也非常简单：紫外+荧光+NMR+一台旧电镜。彭老师在老艾的实验室待了多年，他对量子点合成以及水溶性这些很基础的问题看的很透彻；而他去老艾那里之前是在吉大，化学的基础知识打的非常牢固。二者的结合，成就了彭笑刚在量子点领域的地位。我觉得可以这么评价彭笑刚对量子点的贡献：如果说之前Bawendi和老艾的研究使得量子点成为&阳春白雪&，其他没有条件的人只能远观之的话，彭笑刚则把量子点变成&下里巴人&，使得量子点真正&飞入平常百姓家&。&
8)& & & & 同在2001年，聂书明和其学生韩明勇在Nature Biotechnology发表了利用量子点进行多色标记和编码方面的工作，实现了一直以来利用荧光编码的梦想。他们利用不同颜色的量子点标记微米球，制备出高一致性的多色编码微球，并将其用于DNA 杂交检测。如果说聂书明和老艾98年发表在Science上的文章证明量子点可以作为有机荧光染料的替代物用于生物医学领域的话，那么聂书明01年的这篇文章开始从实际意义上证实量子点相较于有机荧光染料的优越性：发射光谱窄、光窗容量大。聂书明对于量子点领域在生物领域的应用是有卓越贡献的，他的课题组也一直走在应用领域的最前沿。（Han, M. Y.; Gao, X. H.; Su, J. Z.; Nie, S. M. Quantum-dot-tagged microbeads for multiplexed optical coding of biomolecules. Nat. Biotechnol., 1-635.）
9)& & & & 2002年，老艾课题组首次将量子点的应用拓展至太阳能电池领域。当然，这样的文章肯定是在Science上的。与O-LED类似的是，基于量子点的太阳能电池也还没有代替染料敏华太阳能电池，转化效率也不及染料。但是，这些基础研究的结果对未来的影响，目前谁也没法估量。（Huynh, W. U.; Dittmer, J. J.; Alivisatos, A. P. Hybrid nanorod-polymer solar cells. Science, , .）
10)& & & & 还是2002年，德国的Weller课题组在JPCB上发表了水相合成CdTe量子点的文章（Gaponik, N.; Talapin, D. V.; Rogach, A. L.; Hoppe, K.; Shevchenko, E. V.; Kornowski, A.; Eychm&ller, A.; Weller, H. Thiol-capping of CdTe nanocrystals: An alternative to organometallic synthetic routes. J. Phys. Chem. B, , .）。应该说明的是，在量子点研究的最初一段时间，都是以水相合成为主的。Weller对水相合成的最大贡献是引入巯基小分子作为配体，束缚量子点的生长，在水相中合成高质量的CdTe量子点。实际上，Weller在96年的时候就在德国本土的一个杂志发表了CdTe的合成（Rogach, A. L.; Katsikas, L.; Kornowski, A.; Su, D. S.; Eychm&ller, A.; Weller, H. Synthesis and characterization of thiol-stabilized CdTe nanocrystals. Ber. Bunsen-Ges. Phys. Chem., , .）。在02年的这篇JPCB的文章中，他们详细的报道了水相合成的相关研究。由于本土杂志的国际能见度无法与JPCB相比，JPCB这篇文章的引用率要远高于96年的那篇文章。我个人对Weller的工作的评价是：如果说彭笑刚将量子点带到了全世界的普通实验室中，Weller则是让CdTe量子点走进了亚洲（尤其是中国）的实验室中。因为，彭笑刚的合成方法虽然很好，但是还是在有机相中，从合成到最后的应用没有几天时间是没法完成的，而Weller的方法半天就能得到可以应用的CdTe量子点。但是，在有机相中合成的量子点，无论是在晶体质量、发光强度、稳定性方面都要优于水相量子点。并且，有机相合成对几乎所有的量子点都是通用的，而水相合成缺只能用于高质量的CdTe的合成（这一点我至今也没弄明白）。在Weller的方法中，Te的引入是通过Al2Te3与硫酸反应，或者Te粉与NaBH4反应，生成H2Te（或NaHTe）后再与Cd反应。合成过程中，控制Te2-不被氧化很关键。我个人很推崇国内董绍俊先生课题组发展的一锅法合成CdTe量子点：其核心就是使用Na2TeO3作为Te源，将其和Cd2+、配体分子、NaBH4放在一起，直接加热回流（Bao, H. F.; Wang, E. K.; Dong, S. J. One-pot synthesis of CdTe nanocrystals and shape control of luminescent CdTe-cystine nanocomposites. Small, 6-480.），得到高质量的CdTe量子点。
11)& & & & 时间来到2003年，Larson等人在Science上报道了量子点的多光子发射性质（Larson, D. R.; Zipfel, W. R.; Williams, R. M.; Clark, S. W.; Bruchez, M. P.; Wise, F. W.; Webb, W. W. Water-soluble quantum dots for multiphoton fluorescence imaging in vivo. Science, , .），这样在荧光成像的时候可以完全避开生物组织的背景荧光。我一直很欣赏具有反Stocks荧光性质的纳米材料，但是这种研究需要近红外的激光器，一般的实验室开展不了。
12)& & & & 还是03年，Medintz和Mattoussi在Nature Materials上报道了将量子点应用于荧光共振能量转移体系中（Medintz, I. L.; Clapp, A. R.; Mattoussi, H.; Goldman, E. R.; Fisher, B.; Mauro, J. M. Self-assembled nanoscale biosensors based on quantum dot FRET donors. Nat. Mater., 0-638.）。可以毫不夸张的说，这一篇论文是将量子点相较于有机荧光染料的优越性淋漓尽致表现出来了。Medintz自03年以来频频在JACS、AC、ACS Nano、Nano Lett上灌水，靠的就是这一点。
13)& & & & 依旧是03年，Nature Biotechnology杂志也在同一期一前一后发表了量子点在细胞标记和成像方面的两篇文章（Wu, X. Y.; Liu, H. J.; Liu, J. Q.; Haley, K. N.; Treadway, J. A.; Larson, J. P.; Ge, N. F.; Peale, F.; Bruchez, M. P. Immunofluorescent labeling of cancer marker Her2 and other cellular targets with semiconductor quantum dots. Nat. Biotechnol., -46; Jaiswal, J. K.; Mattoussi, H.; Mauro, J. M.; Simon, S. M. Long-term multiple color imaging of live cells using quantum dot bioconjugates. Nat. Biotechnol., -51.）。不过，这两篇文章的影响与98年Science上的一前一后的文章相比，就相差太远了。
14)& & & & 2004年，聂书明和高小虎在Nature Biotechnology上报道量子点在活体肿瘤成像方面的应用（Gao, X. H.; Cui, Y. Y.; Levenson, R. M.; Chung, L. W. K.; Nie, S. M. In vivo cancer targeting and imaging with semiconductor quantum dots. Nat. Biotechnol., 9-976.）。聂确实是在量子点在生物领域的应用方面有独到的造诣，这一点你不得不承认。现在很多人做量子点相关的PPT，都要用到聂书明在Nature Biotechnology上文章的一些图片。无论是在Indiana还是在Emory，聂书明的文章的吸引力没有因为时空的改变而改变，后面的人在开拓量子点在生物领域的应用，也没有完全摆脱聂书明给世人定下的基调。
15)& & & & 也是在04年，Bhatia给对量子点狂热的人们敲了一个警钟：他们在Nano Lett上报道了量子点的生物毒性（Derfus, A. M.; Chan, W. C. W.; Bhatia, S. N. Probing the cytotoxicity of semiconductor quantum dots. Nano Lett., -18.）。应该说，含重金属的量子点是否真的如聂书明给人绘的图那样美好，大家心里都会嘀咕的。这篇文章也是开启了另外一个研究热点：纳米材料的生物毒性。这篇文章也是标志着量子点的研究趋于理性：好虽好，副作用也要考虑到。
16)& & & & 时间来到2005年，Michalet在Science、Medintz和Mattoussi在Nature Materials分别撰文（Michalet, X.; Pinaud, F. F.; Bentolila, L. A.; Tsay, J. M.; Doose, S.; Li, J. J.; Sundaresan, G.; Wu, A. M.; Gambhir, S. S.; Weiss, S. Quantum dots for live cells, in vivo imaging, and diagnostics. Science, , 538-544; Medintz, I. L.; Uyeda, H. T.; Goldman, E. R.; Mattoussi, H. Quantum dot bioconjugates for imaging, labelling and sensing. Nat. Mater., 5-446.），综述了量子点在生物传感、标记和成像领域的应用。这两篇综述论文在量子点应用方面应该是起到了一个承前启后的作用。至此，量子点领域的里程碑个人觉得是应该告一段落。
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